桐油和糯米汁改良土的色彩一致性研究

周力沛， 唐曉武， 俞 悅， 楊曉秋

(浙江大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310058)

1 引 言

文化遺產(chǎn)作為人類歷史發(fā)展長河中的“幸存者”，是人類了解自身及地球發(fā)展歷程的重要載體[1]。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，大量文化遺跡受到了嚴重破壞，面臨著消失的危險[2]。其中，土遺址作為一類特殊的歷史文化遺產(chǎn)，具有不可移動性、環(huán)境復雜性以及易破壞性等特點[3]，其保護工作尤為重要且迫在眉睫。在土遺址保護工作中，最為常用的方法是添加加固劑對遺址土體進行改良[4]。我國史料中已有記載的桐油和糯米汁[5-6]，由于天然環(huán)保，與土體結合好，處理后的土體強度、滲透等特性可較好地滿足要求[7-9]等優(yōu)點，獲得了廣泛關注。

基于文物和遺址的特殊性，其修復和保護工作應遵循“保持原貌，修舊如舊”的基本原則[10]，因此土遺址改良材料的選取除了應滿足其力學強度要求外，也必須滿足“不能對土體外觀帶來明顯變化”的基本要求[11]?，F(xiàn)有的土體加固劑改良研究中，對土體外觀色彩變化的分析，主要依靠直接觀察的方法，即通過肉眼觀察，主觀地判斷土體顏色是否發(fā)生明顯變化[12]。該方法雖然最為簡便易行，但缺乏定量依據(jù)，同時觀察結果易受到外界光照因素和觀察者自身主觀意識的干擾和影響。因此，需要采用科學的色彩測定以及色差分析，同時兼顧簡便性的判定方法來對處理土外觀色彩一致性進行判別。

本研究以錢塘江粉土為例，對按照不同質量比配合的桐油和糯米汁改良土樣在不同天數(shù)條件下的外觀顏色進行了分析。通過對土樣在固定光源下的L*a*b*色彩空間的參數(shù)進行提取，并采用L*a*b*色差計算公式[13]對提取的色彩參數(shù)進行對比分析。同時結合直接觀察方法，獲得了桐油和糯米汁的加入對土樣外觀顏色的影響，并得到了色彩還原性最佳的改良土質量比，以及肉眼可分辨的色彩土體顏色變化色差臨界值。

2 色彩對比實驗

2.1 土樣制備

實驗選取錢塘江粉土作為原狀土，在采用桐油和糯米汁對其進行改良之前，先將其進行充分研磨，并過2 mm篩以去除雜質，然后置于60 ℃溫度下烘烤48 h排除水分,備用。

實驗所用桐油為工業(yè)用生桐油。糯米汁按照如下方法制備[14]：將100 g生糯米加入1 000 g水，充分浸泡吸濕，并蒸煮1.5 h，使其進一步糊化。將蒸煮好的糯米糊靜置冷卻至室溫后，用針筒吸取上部粘稠液體部分，即為實驗所用糯米汁。如圖1。

改良土樣具體制備過程為：稱取一定質量準備好的粉土，置于干燥且不滲水的搪瓷托盤內，按照實驗所設定的質量比以及粉土的最優(yōu)含水率20.48%[15]，將桐油、糯米汁及蒸餾水加入待改良粉土中，攪拌均勻，待用。

圖1 實驗所用桐油和糯米汁

本實驗中共制備了9種不同的桐油、糯米汁與粉土三者質量比的土樣，如表1所示。其中T表示桐油、R表示糯米汁、S表示粉土，下標數(shù)字表示各組分在混合土樣中所占質量百分比。例如土樣T5R10S85表示該土樣中，桐油、糯米汁和粉土三者質量比為5∶10∶85。而土樣T0R0S100為未添加桐油和糯米汁的粉土，即該實驗的對照組。下文中，如無特別說明，則“質量比”均特指“桐油質量:糯米汁質量:粉土質量”。

表1 實驗所制備土樣的質量比

2.2 實驗步驟

改良土的色彩還原性對比實驗分為直接觀察實驗與數(shù)字圖像參數(shù)對比實驗兩部分。具體實驗步驟如下：

(1)用直徑為61.8 mm、高度為20 mm的直剪環(huán)刀分別將9種制備好的土樣切出同樣規(guī)格大小的擊實土樣，用細鐵絲沿環(huán)刀頂部和底部將多余土體刮去，并將截面處理為同等粗糙程度的平面。

(2)將9組切好的土樣置于陰涼、無風且恒溫恒濕的實驗室環(huán)境條件下分別靜置0,7,14,30,90,180 d。

(3)直接觀察實驗。在同樣的光線條件下(本實驗選取遮光實驗室的固定6 500 K日光燈條件)，對不同天數(shù)時的9種質量比的土樣進行直接觀察，并對比不同天數(shù)下每種土樣的顏色變化，以及不同土樣之間的色彩差異。觀察時選取3名辨色能力正常的觀測者，以盡量規(guī)避由于主觀因素而帶來的觀測誤差。

(4)數(shù)字圖像參數(shù)對比實驗。在固定光源條件下，用數(shù)碼相機正投影方法分別對9種不同質量比的改良土樣拍照，進行圖像以及表面色彩參數(shù)的采集，如圖2所示。本文實驗中所采用的相機為佳能品牌EOS 7D 型號，鏡頭選用佳能品牌EF 50 mmf/1.8 型號的定焦鏡頭。相機其他設置如表2所示，并且相機中所有與成像自動調校及優(yōu)化有關的設置模式例如“周邊光量校正”、“自動亮度優(yōu)化”等，均設為“關閉”狀態(tài)，以消除相關功能對照片成像色彩所造成的干擾和影響。

(5)將步驟(4)中采集的9種土樣的照片導入圖像處理軟件Adobe Photoshop CC 2017，并進行參數(shù)提取及對比。首先將照片中土樣部分用

圓形套索工具套取出來，然后采用軟件中自帶的“信息面板”(Info palette)和“顏色取樣器”(Color sampler)工具對土樣表面進行色彩參數(shù)的提取。為避免取樣不均勻，每次顏色取樣時，顏色取樣器取用101×101個像素點的平均值，同時每個土樣取不同位置的5個點，進一步取這5個點的平均值，作為土樣表面色彩特征值。之后，利用L*a*b*色彩空間的明度差ΔL′、彩度差ΔC′、色調差ΔH′及色差ΔE計算公式(1)～(3)對改良土樣的色彩還原性進行對比分析:

(1)

(2)

ΔE=

(3)

圖2 色彩對比實驗土樣照片拍攝

表2 相機相關功能設置

3 結果與討論

按照第2節(jié)所述實驗方法，所采集的土樣表面如表3所示。

3.1 直接觀察實驗

縱觀9個土樣從0～180 d的外觀變化過程，可以看出每個土樣均經(jīng)歷了顏色由深到淺的變化過程，且每個土樣顏色變化幅度不盡相同。在0 d時，9種土樣顏色較深，且土樣之間顏色差異不明顯；而隨著時間的推移，到180 d時，9種土樣形成了深淺不一的表面顏色狀態(tài)，并且差異明顯，肉眼可直接觀察到。

具體來看，在第0 d時，由于水分的存在，9種土樣顏色均較深，呈現(xiàn)出濕土常見的褐色外觀。同時可以看出，桐油含量較高的土樣T10R5S85、T10R10S80和T15R5S80，與未處理土樣T0R0S100相比已經(jīng)出現(xiàn)了肉眼可以分辨的輕微發(fā)黑現(xiàn)象，說明桐油的存在對土體外觀顏色的變化存在比較大的影響，當桐油在土中含量較高時，初經(jīng)拌合的土體外觀則已經(jīng)出現(xiàn)變黑的趨勢。

而從第7 d開始，土樣外觀顏色的變化有了較為明顯的分化趨勢。T0R0S100、T0R5S95和T5R10S853個土樣的外觀，與0 d時相比出現(xiàn)了明顯的變白變淺現(xiàn)象，土樣T5R0S95、T5R5S90也有變白的現(xiàn)象，但不如上述3個土樣明顯，而T10R5S85、T10R10S80、T5R15S80和T15R5S80則發(fā)白趨勢不明顯。這樣的顏色分化說明土中所添加的桐油和糯米汁對土體外觀顏色的變化開始發(fā)揮作用，因此出現(xiàn)了深淺不一的變化規(guī)律。

隨著時間的進一步推移，9組土樣的外觀顏色到第180 d時均可達到穩(wěn)定，與90 d時相比不再有明顯變化。此時可看出土樣T0R5S95和T5R10S85的外觀顏色與未改良土樣T0R0S100最為接近；土樣T5R0S95、T5R5S80和T10R5S85三者顏色接近，且比未改良土相比，顏色較深；土樣T10R5S85、T10R10S80和T15R5S80三者顏色接近，并且和其他土樣相比，顏色深且明顯發(fā)黑。

從直接觀測的結果能夠看出,桐油和糯米汁的加入對土樣外觀有著較大影響，其中桐油的影響尤為明顯。當土樣中的桐油含量較高時，土體顏色與未改良土相比會變深變黑，并且隨著時間推移，與未改良土之間的差異越加明顯。而相對于桐油來講，糯米汁對土體顏色的變化影響較小，但仍有使改良土顏色發(fā)白變淺的作用。而在土樣T5R10S85中，通過糯米汁的中和，桐油對改良土顏色變黑的效果得以抑制，使得土樣T5R10S85不論是剛制備好的0 d還是180 d時土樣顏色穩(wěn)定后，均可與未改良土T0R0S100外觀顏色保持較好的一致性，滿足遺址保護原則中對改良材料提出的“不能對土體外觀帶來明顯的變化”的要求。

表3 不同質量比處理土樣的色彩對比

Tab.3 Color contrast of treatsd soils in different mass ratio

3.2 數(shù)字圖像參數(shù)對比實驗

采用第2節(jié)所述實驗方法所得9組土樣從0～180 d的L*a*b*色彩參數(shù)值如表4所示。從表4中大致可看出9組土樣從0 d開始，各自的明度值L*均存在迅速增大并逐步趨于穩(wěn)定的過程，到180 d時基本保持穩(wěn)定不再變化；而各自的色品值a*和b*在這個過程中則略有變化,但幅度不大。

表4 不同天數(shù)不同質量比土樣的L*a*b*色彩參數(shù)

首先，用公式(1)～(3)分別對9種土樣180 d時的色彩參數(shù)與0 d時的色彩參數(shù)進行了對比計算，如圖3所示。從圖3中可看出，土中桐油占比較低的土樣(T0R0S100、T0R5S95、T5R0S95、T5R5S90、T5R10S85和T5R15S80)在外觀色彩穩(wěn)定后，與0 d時外觀顏色參數(shù)相比，明度差ΔL′和色差ΔE較大，彩度差ΔC′并不大。說明這些土樣在外觀顏色變化過程中，色差變化主要是由于明度的變化而導致的。其原因應是土體中的水分隨時間蒸發(fā)后，對土體的浸潤度發(fā)生了變化，從而導致了土體外觀顏色隨時間推移的發(fā)白現(xiàn)象。而土中桐油占比較高的土體(T10R5S85、T10R10S80、T15R5S80)除了明度差較大外，彩度差也較大，說明桐油的加入對土體的色彩產(chǎn)生了較大的影響。反映在土體外觀上則是使土體發(fā)生了變黑的現(xiàn)象，對外觀色彩產(chǎn)生了較大的影響。

圖3 各土樣180 d與0 d時的明度差、彩度差和色差。

Fig.3 Lightness, chroma and total color difference of the specimens of 180 d compared to 0 d.

進一步，分別對0 d和180 d時各處理土樣對未處理土樣的色差參數(shù)進行計算，如圖4和圖5所示。可看出隨著糯米汁和桐油所占質量比的提高，處理土樣與未處理土樣之間的色差大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。具體來看，對比T0R5S95、T5R0S95與T0R0S100的色差參數(shù)可看出，糯米汁與桐油可使處理土樣的明度值存在作用相反的影響，糯米汁使改良土的明度值增大，而桐油使改良土明度值降低，且作用效果要比糯米汁更為明顯。綜合來看，無論是0 d還是180 d，當處理土樣質量比為5∶10∶85時，土樣外觀顏色與未改良土的色差最小，這也與直接觀察實驗中所得到的結論一致。即按照該質量比配合的處理土樣對原狀土的色彩還原度最高，最為符合遺址土體保護材料“不得明顯改變土體外觀”的基本要求。同時，結合直接觀察實驗中所得到的結論“0 d時，T10R5S85、T10R10S80、T15R5S80存在肉眼可觀察到的色差(表面發(fā)黑)；180 d時，除T5R10S85外，其余土樣均存在肉眼可觀察到的色差”，可知色差ΔE>5時，存在肉眼可觀察到的土樣色彩變化。

圖4 0 d時處理土樣與未處理土樣明度差、彩度差和色差值。

Fig.4 Lightness, chroma and total color difference of the treated to the untreated soil specimens at 0 d.

圖5 180 d處理土樣與未處理土樣明度差、彩度差和色差值。

Fig.5 Lightness, chroma and total color difference of the treated to the untreated soil specimens at 180 d.

4 結 論

本文對土遺址保護中采用的傳統(tǒng)純天然土體改良材料——桐油和糯米汁所改良的土體色彩還原度問題進行了直接觀測和數(shù)字圖像L*a*b*色彩參數(shù)對比分析。對不同質量比土樣在0～180 d時間的變化的分析結果表明，土體隨時間推移而產(chǎn)生的土體發(fā)白現(xiàn)象，主要是由于其明度值發(fā)生變化而導致的。而對于添加的改良材料，糯米汁的摻入使土體有輕微發(fā)白作用，桐油的摻入使土體有明顯發(fā)黑作用。當桐油、糯米汁和土三者質量比為5∶10∶85時，處理土樣與原狀土樣可保持最優(yōu)的色彩一致性與還原性，滿足土遺址保護材料的色彩要求。并且，當處理土樣與原狀土樣的色差值ΔE>5時，該土樣即存在肉眼可觀察到的顏色變化，因此在土遺址保護過程中應保持改良土樣與原狀土樣的色差值ΔE<5。